特許 6945858 炭化珪素エピタキシャルウェハ及び炭化珪素半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6945858

(24)【登録日】2021年9月17日

(45)【発行日】2021年10月6日

(54)【発明の名称】炭化珪素エピタキシャルウェハ及び炭化珪素半導体装置

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20210927BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20210927BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20210927BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20210927BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20210927BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/36 A

   H01L21/205

   H01L29/78 652T

   H01L29/78 655A

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-85782(P2018-85782)

(22)【出願日】2018年4月26日

(65)【公開番号】特開2019-189496(P2019-189496A)

(43)【公開日】2019年10月31日

【審査請求日】2020年10月28日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 １．応用物理学会先進パワー半導体分科会第４回講演会・予稿集、平成２９年１１月１日 ２．応用物理学会先進パワー半導体分科会第４回講演会、平成２９年１１月１日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「ＳＩＰ（戦略的イノベーション創造プログラム）／次世代パワーエレクトロニクス／ＳｉＣに関する拠点型共通基盤技術開発／ＳｉＣ次世代パワーエレクトロニクスの統合的研究開発」 委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】升本 恵子

(72)【発明者】

【氏名】三谷 武志

(72)【発明者】

【氏名】江藤 数馬

(72)【発明者】

【氏名】児島 一聡

(72)【発明者】

【氏名】加藤 智久

【審査官】 松本 瞳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０３８００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１５７７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０１８８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０１７５０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−３１１３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４９６０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００ −３５／００

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／３３９

Ｈ０１Ｌ ２１／３６５

Ｈ０１Ｌ ２１／４６９

Ｈ０１Ｌ ２１／８６

Ｈ０１Ｌ ２９／７６２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（０００１）面に対してオフ角を持つ第１主面を有し、抵抗率が０．４Ωｃｍ未満のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板と、
前記ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の前記第１主面上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、
前記オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である、炭化珪素エピタキシャルウェハ。

【請求項2】

（０００１）面に対してオフ角を持つ第１主面を有し、Ａｌのドーピング濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３より大きいｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板と、
前記ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の前記第１主面上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、
前記オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である、炭化珪素エピタキシャルウェハ。

【請求項3】

前記炭化珪素エピタキシャル層の界面転位密度が１０ｃｍ^−１以下である、請求項１又は２のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウェハ。

【請求項4】

前記第１主面は、（０００１）Ｓｉ面である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャルウェハ。

【請求項5】

前記炭化珪素エピタキシャル層はｎ型である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャルウェハ。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャルウェハを用いた炭化珪素半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化珪素エピタキシャルウェハ及び炭化珪素半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力の変換（直流・交流変換や電圧変換）や制御を担うパワーエレクトロニクスは、省エネルギー化のためのキーテクノロジーであると期待されている。
パワーエレクトロニクスはこれまでシリコン（Ｓｉ）により性能向上が図られてきたが、理論的に限界が見えてきたため、次世代材料として炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されている。
炭化珪素（ＳｉＣ）はシリコン（Ｓｉ）に比べて、絶縁破壊電界強度が１０倍、バンドギャップが３倍等、優れた性能を有することから、炭化珪素単結晶基板を使用したＳｉＣパワーデバイスの高耐電圧化、低電力損失化が期待される。

【0003】

ＳｉＣパワーデバイスは、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素エピタキシャル層を形成した炭化珪素エピタキシャルウェハ（ＳｉＣエピタキシャルウェハ）を用いて作製される。炭化珪素単結晶基板は、溶液法や昇華法等で作製した炭化珪素のバルク単結晶（インゴット）から加工して得られ、炭化珪素エピタキシャル層は、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって形成される。

【0004】

炭化珪素単結晶基板は通常、ステップフロー成長で炭化珪素エピタキシャル層を形成可能とするために（０００１）面から所定のオフ角を付けたものが用いられる。以下では、オフ角を有する炭化珪素単結晶基板を単にオフ基板ということがある。
＜１１−２０＞方向のオフ基板が市販されているため、通常は＜１１−２０＞方向のオフ基板が用いられている（例えば、特許文献１〜４参照）。以下では、かかる炭化珪素単結晶基板を「＜１１−２０＞方向のオフ基板」ということがある。

【0005】

一方、＜０１−１０＞方向のオフ基板を用いた炭化珪素エピタキシャルウェハについても報告がある（例えば、特許文献５、特許文献６参照）。
特許文献５には、オフ角のオフ方向が＜１１−２０＞方向に対して±５°以下の範囲内か、または＜０１−１０＞方向に対して±５°以下の範囲内にある炭化珪素基板を用いた炭化珪素エピタキシャルウェハが記載されている（例えば、請求項１参照）。
また、特許文献６には、オフ角のオフ方向が＜１１−２０＞方向または＜０１−１０＞方向である炭化珪素基板を用い、貫通転位の転位線の方向が［０００１］ｃ軸から所定の角度内にあり、エピタキシャル膜の不純物濃度の方が炭化珪素単結晶基板の不純物濃度よりも低くされ、かつ、エピタキシャル膜の不純物濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とされている炭化珪素エピタキシャルウェハが記載されている（例えば、請求項１、段落００１６、段落００４３、参照）。
特許文献５及び特許文献６に開示されている発明では、＜１１−２０＞方向のオフ基板あるいは＜０１−１０＞方向のオフ基板のいずれかがその発明を実現すために必須というものではなく、いずれの基板も用いることができるというものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７−１２４９７４号公報

【特許文献2】特開２０１７−１３５４２４号公報

【特許文献3】特開２０１７−１６８５６１号公報

【特許文献4】特開２０１８−１８９９８号公報

【特許文献5】特開２０１６−１３８０４０号公報

【特許文献6】特開２０１６−５２９９４号公報

【特許文献7】特開２０１５−１３０５２８号公報

【特許文献8】特開２０１７−６５９５９号公報

【特許文献9】特開２０１６−１７２６７４号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Materials Science Forum Vols.821-823 (2015) pp47-50.

【非特許文献2】Journal of Crystal Growth 470 (2017) 154-158.

【非特許文献3】Phys. Status Solidi B246 (2009) 1553.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

これまで、ｎ型炭化珪素単結晶基板へのＳｉＣエピタキシャル成長や、比較的高抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板へのＳｉＣエピタキシャル成長では、＜１１−２０＞方向のオフ基板を用いてきたが、品質について特に大きな問題はなかった。
一方、ｐ型炭化珪素単結晶基板については低抵抗化が困難であったため、低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル成長させた炭化珪素エピタキシャルウェハについては検討されてこなかった（例えば、特許文献７参照）。

【0009】

近年、低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板が研究・実験レベルで作製されるようになってきた（例えば、昇華法を用いたものは特許文献８、非特許文献１、非特許文献２参照、溶液法を用いたものは特許文献９参照）。

【0010】

ＳｉＣパワーデバイスは、耐電圧が１ｋＶ領域の中耐電圧領域、耐電圧が５ｋＶ領域の高耐電圧領域と進んできたが、上述の通り、低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板が入手可能になり、耐電圧が１０ｋＶ以上の超高耐電圧領域のｎチャンネルＳｉＣ−ＩＧＢＴの本格的な研究が始まりつつある。ｎチャンネルＳｉＣ−ＩＧＢＴの実現には、低抵抗率のｐ型炭化珪素バルク成長と低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板上のｎ型ＳｉＣエピタキシャル成長が重要な要素である。
なお、１０ｋＶ以上の超高耐電圧パワーデバイス（超高耐電圧領域）では、耐電圧１ｋＶ領域のパワーデバイスに比べれば、エピタキシャル層の膜厚が１桁以上厚い、いわゆる厚膜（１００μｍ以上）のエピタキシャル層が必要になる。

【0011】

本発明者は、低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板を用いて、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル成長を行い、ｎチャンネルＳｉＣ−ＩＧＢＴに用いることが可能な炭化珪素エピタキシャルウェハを作製し、その評価を行うことによって、かかる炭化珪素エピタキシャルウェハにおける課題を見出し、その課題を解決して本発明を完成させた。

【0012】

本発明は、低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板を用いて高品質な炭化珪素エピタキシャルウェハ及びその製造方法、並びに炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の代表的なものを例示すれば以下の通りである。

【0014】

（１）本発明の第１の態様に係る炭化珪素エピタキシャルウェハは、（０００１）面に対してオフ角を持つ第１主面を有し、抵抗率が０．４Ωｃｍ未満のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板と、前記ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の前記第１主面上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、前記オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である。

【0015】

（２）本発明の第２の態様に係る炭化珪素エピタキシャルウェハは、（０００１）面に対してオフ角を持つ第１主面を有し、Ａｌのドーピング濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３より大きいｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板と、前記ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の前記第１主面上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、前記オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である。

【0016】

（３）上記態様において、前記炭化珪素エピタキシャル層の界面転位密度が１０ｃｍ^−１以下であってもよい。

【0017】

（４）上記態様において、前記第１主面は、（０００１）Ｓｉ面であってもよい。

【0018】

（５）上記態様において、前記炭化珪素エピタキシャル層はｎ型であってもよい。

【0019】

（６）本発明の第３の態様に係る炭化珪素半導体装置は、上記態様の炭化珪素エピタキシャルウェハを用いたものである。

【発明の効果】

【0020】

本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハによれば、低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板を用いて高品質な炭化珪素エピタキシャルウェハを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第１実施形態にかかる炭化珪素エピタキシャルウェハ１０を模式的に示した断面図である。

【図2】本発明の第２実施形態にかかる炭化珪素エピタキシャルウェハ２０を模式的に示した断面図である。

【図3】ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の作製方法・条件が異なる炭化珪素エピタキシャルウェハについて、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のＡｌのドーピング濃度と抵抗率との関係、及び、２５０ｃｍ^−１以上の高密度の界面転位の存在の有無（ない場合には○、ある場合には×）を示すグラフである。

【図4】溶液法で得られた＜１１−２０＞方向に４°オフのｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いて得られた炭化珪素エピタキシャルウェハについて、回折ベクトル［−１−１２８］における、２ｍｍ×２ｍｍの範囲の反射トポグラフ像である。

【図5】＜０１−１０＞方向に４°オフのｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いた以外は、図４に反射トポグラフ像を示した炭化珪素エピタキシャルウェハと同様の条件で作製した炭化珪素エピタキシャルウェハについての反射トポグラフ像である。

【図6】本発明の一実施形態にかかる炭化珪素半導体装置１００を模式的に示した断面図である。

【図7】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。

【図8】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。

【図9】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0023】

（炭化珪素エピタキシャルウェハ）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる炭化珪素エピタキシャルウェハ１０を模式的に示した断面図である。
炭化珪素エピタキシャルウェハ１０は、（０００１）面に対してオフ角を持つ第１主面１ａを有し、抵抗率が０．４Ωｃｍ未満のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１と、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１の第１主面１ａ上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層２と、を備え、オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である。第２主面１ｂは炭化珪素エピタキシャル層２が設けられていない面である。

【0024】

＜ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板＞
炭化珪素（ＳｉＣ）は多くの結晶多形を有するが、本発明の基板は４Ｈ−ＳｉＣ基板である。
４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板としては、溶液法や昇華法等で作製した炭化珪素バルク結晶から切り出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いることができる。
また、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１としては、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板上にｐ型４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル膜が形成されたものでもよい。

【0025】

ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１のオフ方向は＜０１−１０＞方向である。
＜０１−１０＞方向は本発明の効果を奏する限り、ずれが許容される。限定するものではないが、目安をいえば、＜０１−１０＞方向に対して±５°以下の範囲内であればよく、＜０１−１０＞方向に対して±３°以下の範囲内であれば、より好ましく、＜０１−１０＞方向に対して±１°以下の範囲内であれば、さらに好ましい。

【0026】

ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１は、抵抗率が０．４Ωｃｍ未満であるが、好ましくは０．２Ωｃｍ以下であり、より好ましくは０．１Ωｃｍ以下であり、さらに好ましくは０．０５Ωｃｍ以下である。限定するものではないが、下限の目安を示すと、０．０２Ωｃｍである。

【0027】

ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のオフ角としてはいずれのオフ角のものも用いることもできるが、コスト削減の観点からはオフ角が小さいもの例えば、０°超え８°以下のものが好ましい。

【0028】

ｐ型を付与するためのアクセプタ不純物としては例えば、アルミニウム（Ａｌ）または硼素（Ｂ）を用いることができる。なお、ｐ型ＳｉＣ単結晶基板では結晶多形の制御等のためにアクセプタとドナーの両方の不純物を添加するコドープというテクニックが使用され、アクセプタ不純物アルミニウム（Ａｌ）とドナー不純物窒素（Ｎ）が同時に添加されることがある（非特許文献２）。この場合にはアクセプタ不純物をドナー不純物よりも高い濃度とすることで、ＳｉＣ単結晶基板はｐ型とされる。
不純物濃度は、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の抵抗率を０．４Ωｃｍ未満にする濃度である。

【0029】

ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の厚さとしては特に限定するものではないが、例えば、２００μｍ以上７００μｍ以下であり、好ましくは３００μｍ以上６００μｍ以下とすることができる。
４度オフ基板としては３５０μｍの厚みのものを用いることが多いが、５００μｍ厚のものも市販されている。

【0030】

＜炭化珪素エピタキシャル層＞
炭化珪素エピタキシャル層の膜厚は特に限定するものではないが、目安を例示すれば、０．２μｍ以上５００μｍ以下とすることできる。また、本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハをＩＧＢＴ等の耐圧が１０ｋＶ以上のＳｉＣデバイスに用いる場合、いわゆる厚膜（１００μｍ以上）であることが好ましい。高耐圧のパワーデバイスに適した炭化珪素エピタキシャルウェハとするためである。
このエピ膜の最適な膜厚はデバイスの耐電圧の設計仕様に応じて決まり、超高耐電圧のデバイスについては１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ程度が必要となる。
上限を例示すれば、エピタキシャル成長の難しさの観点で５００μｍ程度が挙げられる。

【0031】

炭化珪素エピタキシャル層は、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のＳｉ面及びＣ面のいずれに形成することもできるが、Ｓｉ面に形成するのが好ましい。

【0032】

本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハをＩＧＢＴ等の耐圧が１０ｋＶ以上のＳｉＣデバイスに用いる場合、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板と炭化珪素エピタキシャル層の合計厚さ（すなわち、炭化珪素エピタキシャルウェハの厚さ）は４５０μｍ以上とすることができる。
例えば、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の厚さが３５０μｍでかつ炭化珪素エピタキシャル層の厚さが１００μｍの場合が相当する。
本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハをＩＧＢＴ等の耐圧が１０ｋＶ以上のＳｉＣデバイスに用いる場合、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板と炭化珪素エピタキシャル層の合計厚さ（すなわち、炭化珪素エピタキシャルウェハの厚さ）は６００μｍ以上とすることができる。
例えば、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の厚さが３５０μｍでかつ炭化珪素エピタキシャル層の厚さが２５０μｍの場合が相当する。

【0033】

ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の外径は特に限定するものではないが、目安を例示すれば７５ｍｍ以上とすることができる。

【0034】

図２は、本発明の第２実施形態にかかる炭化珪素エピタキシャルウェハ２０を模式的に示した断面図である。
炭化珪素エピタキシャルウェハ２０は、（０００１）面に対してオフ角を持つ第１主面１１ａを有し、Ａｌのドーピング濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３より大きいｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１１と、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１の第１主面１１ａ上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層１２と、を備え、オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である。
第２主面１１ｂは炭化珪素エピタキシャル層２が設けられていない面である。

【0035】

ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１１は、Ａｌのドーピング濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３より大きいが、好ましくは６×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、より好ましくは１×１０^２０ｃｍ^−３以上であり、さらに好ましくは２×１０^２０ｃｍ^−３以上である。限定するものではないが、上限の目安を示すと、６×１０^２０ｃｍ^−３である。

【0036】

炭化珪素エピタキシャルウェハ２０において、第１実施形態にかかる炭化珪素エピタキシャルウェハ１０と同様な点は説明を省略する。

【0037】

＜ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の作製方法による比較＞
（１）溶液法低抵抗率ｐ型基板、及びそれを用いた炭化珪素エピタキシャルウェハ
Ｓｉ−Ａｌ溶媒を用いた溶液法で成長させたＡｌのドーピング濃度が６×１０^１９ｃｍ^−３、抵抗率０．１８Ωｃｍ、＜１１−２０＞方向に４°オフのｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板（厚さ：３５０μｍ）を用いて、Ｓｉ面上にＣＶＤ法を用いてｎ型ＳｉＣエピタキシャル成長を行い、炭化珪素エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長は成長温度１５７０℃〜１５８０℃、成長圧力２．７ｋＰａ、Ｃ／Ｓｉ比０．８、成長速度１５μｍ／ｈの条件で行い、炭化珪素エピタキシャル層の膜厚は２０μｍであり、炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度は５×１０^１４ｃｍ^−３であった。炭化珪素エピタキシャル層はｎ型とされ、狙いのキャリア濃度となるように窒素（Ｎ）をドープした。以下では、この場合の基板を溶液法低抵抗率ｐ型基板ということがあり、また、炭化珪素エピタキシャルウェハを溶液法低抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハということがある。
（２）昇華法低抵抗率ｐ型基板、及びそれを用いた炭化珪素エピタキシャルウェハ
昇華法で成長させた、Ａｌのドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３、抵抗率０．１３Ωｃｍ、＜１１−２０＞方向に４°オフのｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板（厚さ：３５０μｍ）を用いて、Ｓｉ面上にＣＶＤ法を用いてｎ型ＳｉＣエピタキシャル成長を行い、炭化珪素エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の条件、炭化珪素エピタキシャル層の膜厚、及び、炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度は上記（１）の炭化珪素エピタキシャルウェハと同様にした。以下では、この場合の基板を昇華法低抵抗率ｐ型基板ということがあり、また、炭化珪素エピタキシャルウェハを昇華法低抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハということがある。
（３）昇華法高抵抗率ｐ型基板、及びそれを用いた炭化珪素エピタキシャルウェハ
昇華法で成長させた、Ａｌのドーピング濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３、抵抗率０．４Ωｃｍ、＜１１−２０＞方向に４°オフのｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板（厚さ：３５０μｍ）を用いて、Ｓｉ面上にＣＶＤ法を用いてｎ型ＳｉＣエピタキシャル成長を行い、炭化珪素エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の条件、炭化珪素エピタキシャル層の膜厚、及び、炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度は上記（１）の炭化珪素エピタキシャルウェハと同様にした。以下では、この場合の基板を昇華法高抵抗率ｐ型基板ということがあり、また、炭化珪素エピタキシャルウェハを昇華法高抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハということがある。

【0038】

図３に、溶液法低抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハ（図３中のＢ）、昇華法低抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハ（図３中のＡ）、及び、昇華法高抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハ（図３中のＣ）について、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のＡｌのドーピング濃度と抵抗率との関係、及び、２５０ｃｍ^−１以上の高密度の界面転位の存在の有無（ない場合には○、ある場合には×）を示すグラフである。ＳｉＣエピタキシャル層中の界面転位の密度は７５０ｎｍロングパスフィルタを用いたフォトルミネッセンス（ＰＬ）像によって評価した。
Ａｌのドーピング濃度と抵抗率とは相関があり、Ａｌのドーピング濃度が高くなるとキャリアが増えて抵抗率が下がり、Ａｌのドーピング濃度が低くなるとキャリアが減って抵抗率が上がる。

【0039】

溶液法低抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハ（図３中のＢ）、昇華法低抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハ（図３中のＡ）、及び、昇華法高抵抗率ｐ型基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハ（図３中のＣ）のそれぞれの界面転位密度はそれぞれ、２５０ｃｍ^−１、２５０ｃｍ^−１、０ｃｍ^−１であった。

【0040】

ここで、ＳｉＣ単結晶基板と炭化珪素エピタキシャル層の界面に界面転位が存在すると、エピタキシャル層中に基底面転位を伴う転位ハーフループが発生する。エピタキシャル層中に基底面転位を伴う転位ハーフループが発生し、デバイスの駆動領域に基底面転位が存在すると、通電によって基底面転位が積層欠陥に拡張し、ＳｉＣデバイスの信頼性に悪影響を与える。そのため、一般に界面転位を低減しつつエピタキシャル成長を行う技術が必要になる。

【0041】

図３に基づくと、２５０ｃｍ^−１以上の高密度の界面転位の発生の有無には、基板の作製方法によらず、Ａｌのドーピング濃度、及び、抵抗率の閾値が存在することがわかる。
図３に基づくと、Ａｌのドーピング濃度の閾値は３〜６×１０^１９ｃｍ^−３にあり、抵抗率の閾値は０．２〜０．４Ωｃｍにある。

【0042】

本発明者は、従来用いられてきた、低濃度Ａｌドープ（例えば、３×１０^１９ｃｍ^−３以下）あるいは高抵抗率（例えば、０．４Ωｃｍ以上）のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を使用した炭化珪素エピタキシャルウェハでは高密度の界面転位の発生はなかったが、高濃度Ａｌドープ（例えば、３×１０^１９ｃｍ^−３より大）あるいは低抵抗率（例えば、０．４Ωｃｍ未満）のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を使用した炭化珪素エピタキシャルウェハでは、高密度の界面転位が発生することを初めて見出した。
このような新規な知見は、最近になって低抵抗率のｐ型炭化珪素単結晶基板が入手可能になったことで初めて得られたものである。

【0043】

本発明者は、この新規な課題を解決するために鋭意検討を進めた結果、本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハに想到したものである。

【0044】

高密度の界面転位の存在の原因を検討する。
ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の成長方法によらず、Ａｌのドープ濃度に支配されることを考慮すると、従来の低濃度Ａｌドープの高抵抗率のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板とｎ型エピタキシャル膜と比べて、高濃度にＡｌを添加された低抵抗率のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板とｎ型エピタキシャル膜とは格子定数差や熱膨張係数差が増大したことによって、成長界面での応力が大きくなったことが一因であると推測される。

【0045】

一方、ＳｉＣ単結晶基板内の基底面転位のバーガースベクトルとオフ方向とが平行なときに、ＳｉＣ単結晶基板内の基底面転位がＳｉＣエピタキシャル層に伝搬しやすい、すなわち、ＳｉＣエピタキシャル層中で貫通刃状転位に変換しにくいという報告がある（非特許文献３参照）。
ＳｉＣ単結晶基板内の基底面転位のバーガースベクトルは＜１１−２０＞方向であるから、本発明者は、＜０１−１０＞方向にオフ角を有する低抵抗率のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いて作製した炭化珪素エピタキシャルウェハを評価することとした。

【0046】

＜ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のオフ方向による比較＞
図４に、上記（１）の炭化珪素エピタキシャルウェハについて、回折ベクトル［−１−１２８］における、２ｍｍ×２ｍｍの範囲の反射トポグラフ像を示す。
図４において、オフ方向と直交する方向に直線状に伸びているコントラストの明るい線が界面転位である。
像全面に高密度な界面転位が存在していることがわかる。界面転位の密度は２５０ｃｍ^−１（視野内に５０本）であった。

【0047】

図５に、＜０１−１０＞方向に４°オフのｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いた以外は、図４に反射トポグラフ像を示した炭化珪素エピタキシャルウェハと同様の条件で作製した炭化珪素エピタキシャルウェハ（以下、＜０１−１０＞方向のオフ基板使用の炭化珪素エピタキシャルウェハということがある）について、回折ベクトル［−１−１２８］における、２ｍｍ×２ｍｍの範囲の反射トポグラフ像を示す。
オフ方向と直交する方向に直線状に伸びているコントラストの明るい線が界面転位である。
図４に比べると、界面転位の密度は激減していることがわかる。界面転位の密度は１０ｃｍ^−１（視野内に２本）であった。

【0048】

これは、基板内の基底面転位のバーガースベクトル＜１１−２０＞とオフ方向が平行にならない＜０１−１０＞方向のオフ基板を用いることにより、エピタキシャル成長界面において基底面転位から貫通刃状転位への変換が促進され、界面転位密度が激減したものと考えられる。

【0049】

以上の通り、本発明者が見出した、高濃度Ａｌドープ（例えば、３×１０^１９ｃｍ^−３より大）あるいは低抵抗率（例えば、０．４Ωｃｍ未満）のｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を使用した炭化珪素エピタキシャルウェハにおける、高密度の界面転位の発生の課題は、＜１１−２０＞方向のオフ基板に替えて、＜０１−１０＞方向のオフ基板を用いることによって、解決できることがわかった。

【0050】

（炭化珪素半導体装置）
図６は、本発明の一実施形態にかかる炭化珪素半導体装置１００を模式的に示した断面図である。
炭化珪素半導体装置１００は、プレーナゲート構造を有するｎチャネルＳｉＣ−ＩＧＢＴであり、炭化珪素エピタキシャルウェハＳＷを用いて作製されている。

【0051】

炭化珪素半導体装置１００は、ｐ型炭化珪素単結晶基板１０１と、ｎ型エピタキシャル層１０２と、ボディ領域１０３と、エミッタ領域１０４と、ｐ+領域１０５と、ゲート絶縁膜１０８と、ゲート電極１０９と、層間絶縁膜１１０と、エミッタコンタクト電極１１２と、エミッタ配線１１３と、コレクタ電極１１４とを有する。

【0052】

ｐ型炭化珪素単結晶基板１０１、ボディ領域１０３およびｐ+領域１０５の各々はｐ型を有し、ｎ型エピタキシャル層１０２およびエミッタ領域１０４の各々はｎ型を有する。エミッタ領域１０４の不純物濃度はｎ型エピタキシャル層１０２の不純物濃度よりも高い。ｐ+領域１０５の不純物濃度はボディ領域１０３の不純物濃度よりも高い。ボディ領域１０３は、ｎ型エピタキシャル層１０２の上に設けられている。エミッタ領域１０４は、ボディ領域１０３によってｎ型エピタキシャル層１０２から隔てられるようにボディ領域１０３の上に設けられている。ｐ+領域１０５は、エミッタ領域１０４と接するようにボディ領域１０３の上に設けられている。

【0053】

ゲート絶縁膜１０８は、ｎ型エピタキシャル層１０２とエミッタ領域１０４とをつなぐようにボディ領域１０３の上に設けられている。ゲート絶縁膜１０８は、好ましくは酸化膜であり、例えば酸化珪素膜である。ゲート電極１０９は、ゲート絶縁膜１０８の上に設けられている。ゲート電極１０９は、導電体から作られており、例えば、不純物が添加されたポリシリコン、またはＡｌから作られている。

【0054】

エミッタコンタクト電極１１２はエミッタ領域１０４およびｐ+領域１０５の各々の上に設けられている。エミッタコンタクト電極１１２は、エミッタ領域１０４およびｐ+領域１０５の各々にオーミックに接続された電極であり、好ましくはシリサイドから作られており、たとえばニッケルシリサイドから作られている。エミッタ配線１１３は、エミッタコンタクト電極１１２および層間絶縁膜１１０の各々の上に設けられている。層間絶縁膜１１０は、ゲート電極１０９とエミッタ配線１１３との間を電気的に絶縁するように設けられている。層間絶縁膜１１０は、たとえば酸化珪素膜である。

【0055】

コレクタ電極１１４はｐ型炭化珪素単結晶基板１０１の底面側に設けられている。コレクタ電極１１４は、ｐ型炭化珪素単結晶基板１０１にオーミックに接続された電極であり、好ましくはシリサイドから作られており、たとえばニッケルシリサイドから作られている。

【0056】

（炭化珪素半導体装置の製造方法）
本発明の炭化珪素半導体装置は公知の成膜手段を用いて製造できる。
図６に示した炭化珪素半導体装置１００を例として、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法を図７〜図９を用いて説明する。
まず、図７に示すように、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１０１とｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１０１の第１主面上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層１０２Aとを備え、オフ角のオフ方向が＜０１−１０＞方向である、本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハＳＷを準備する。炭化珪素エピタキシャルウェハＳＷは例えば、図１に示した炭化珪素エピタキシャルウェハ１０あるいは図２に示した炭化珪素エピタキシャルウェハ２０である。

【0057】

次に、図８に示すように、炭化珪素エピタキシャル層１０２Aにイオン注入によって、ｐ型を有するボディ領域１０３と、ボディ領域１０３によってドリフト層１０２から隔てられるようにボディ領域１０３の上に設けられｎ型を有するエミッタ領域１０４とを形成する。また、ボディ領域１０３の上にｐ+領域１０５が形成する。ドリフト層１０２は、炭化珪素エピタキシャル層１０２Aにおいて、ボディ領域１０３、エミッタ領域１０４およびｐ+領域１０５を除く領域である。

【0058】

次に、図９に示すように、ゲート絶縁膜１０８を形成し、次いでゲート絶縁膜１０８上にゲート電極１０９を形成し、次いで、層間絶縁膜１１０を形成する。さらに、例えば、ＲＩＥによって、エミッタコンタクト電極１１２を形成すべき領域に対応する層間絶縁膜１１０およびゲート絶縁膜１０８を除去する。この層間絶縁膜１１０およびゲート絶縁膜１０８が除去された領域上にエミッタコンタクト電極１１２を形成する。さらに、エミッタ配線１１３を形成すると、炭化珪素半導体装置１００が得られる。

【符号の説明】

【0059】

１、１１ ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板
１ａ、１１ａ 第１主面
１ｂ、１１ｂ 第２主面
２、１２ 炭化珪素エピタキシャル層
１０、２０、ＳＷ 炭化珪素エピタキシャルウェハ
１００ 炭化珪素半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】